凍結設計說明書

山東省汶上縣義能煤礦

主、副井井筒凍結工程施工組織設計說明

書山東華新建工集團

二00五年二月

目錄前言3

1．井筒特徵及地質、水文地質概況4

2．井筒凍結施工方案5

3．凍結製冷引數設計5

4．製冷系統施工設計9

5．鹽水系統設計10

6．清水系統施工設計12

7．供電系統設計12

8．隔熱層施工設計及井筒開挖條件12

9．工期排隊及勞動組織13

10．凍結施工主要技術措施15

11．質量保證體系16

12．環保要求17

13．主要施工裝置17

14．井筒凍結主要施工圖17

前言義能煤礦位於山東省汶上縣東南部，北距汶上縣城15km，南距濟寧市25km。礦井東西長約7.2km，南北寬約6.

5km，面積32.1km2；煤層厚度較大，煤質好，儲量豐富，具有良好的開發前景。本區以南10km處日菏高速公路自東而西通過，以南25km處兗新鐵路自東而西通過，以西10km有105國道，以東20km有104國道，區內鄉級公路四通八達，交通十分便利。

井田採用立井（主、副井）開拓方式，井筒表土及基岩風化帶均採用凍結法施工。為了優質、快速、高效完成本工程的施工任務，特編制山東省汶上縣義能煤礦主、副井井筒凍結工程施工組織設計。

1. 井筒特徵及地質、水文地質概況

1.1井筒特徵

井筒主要技術特徵見表 1.1.1。

表 1.1.1主、副井井筒主要技術特徵表

1.2 地質及水文地質概況

1.2.1地質概況

根據《井筒檢查孔地質報告》提供資料，義能煤礦井筒凍結段穿過的地層，自上而下為第四系（q）及部分侏羅系地層。

第四系（q）：主、副井厚分別為229.9m和229.

8m，平均229.85m；上部主要由土黃、褐黃、棕黃色的砂質粘土、含粒粗砂、中、細砂及少量粘土組成，砂層富水性較小，下部主要由棕褐、棕黃、淺灰色砂質粘土及綠灰、褐灰色中、細砂及粘土質砂組成；底部由淺灰綠、淺黃綠色粘土、砂質粘土組成，阻斷了第四系與基岩的水力聯絡。

二疊系上石盒子組：主、副井揭露厚度分別為432.6和433.

2m,平均432.9m。主要由灰~灰綠色中、細砂岩及灰色、灰綠色、灰紫色等雜質泥岩、粉砂岩組成，上部受風化，岩石黃褐色，與下覆地層呈整合接觸。

1.2.2水文地質概況

根據《井筒檢查孔地質報告》提供資料，井筒凍結段穿過的主要含水層為第四系地層的三個含水段及風化基岩含水層。

風化基岩含水層：主、副井厚分別為22.1m和18.0m。主要由泥岩、細砂岩、粉砂岩組成，裂隙發育，沖洗液消耗量為0～0.12m3/h，本層未進行抽水試驗。

地下水流方向為東南，即磁方位150°左右，流速為0.58m/h。

2．井筒凍結施工方案

根據主、副井井壁結構圖，結合附近井筒凍結經驗，確定主、副井井筒均採用長、短腿差異凍結方案，短腿深度均過強風化帶，均為252m；長腿深入穩定岩層10m以上，為283m，同時為了防止井筒初期開挖引起片幫，主、副井井筒均在主凍結孔內側增加一圈輔助凍結孔，深度均為180m。

3．凍結製冷引數設計

3.1 最大地壓

井筒最大地壓值按表土層最深部作為控制層位，埋深為h主=229.9m，

h副=229.8m。最大地壓值p=0.013h，經計算最大地壓值為：p主=2.99mpa、

p副=2.99mpa。

3.2 凍土允許抗壓強度

凍結壁平均溫度取-8℃，凍土允許抗壓強度為：〔σ〕=5mpa

3.3 凍結壁厚度計算

選用多姆克公式計算： e=r｛0.29×p÷〔σ〕+2.3×（p÷〔σ〕）2｝

式中r為井筒掘進半徑，r主= r副=3.55m，其餘符號意義同前，經計算凍結壁厚度分別為e主 = e副 = 3.54m。

3.4 凍結孔布置圈徑

1)主凍結孔布置圈徑 d=d1+1.1e+2a

式中d1——井筒掘進最大荒徑，d1主= d1副=7.1m；

a——凍結孔允許向井中偏斜最大值，主、副井均取a =0.4m。

經計算主、副井井筒主凍結孔布置圈徑為：d主= d副=11.8m。

2)輔助凍結孔布置圈徑df=d1+2×(0.3×en+θhf)

式中en——主凍結孔距井幫的距離，en主= en副=2.35m；

hf——輔助凍結孔深度，hf=180m；其餘符號意義同前，經計算兩個井筒輔助凍結孔布置圈徑分別為df主= df副=9.3m。為有效防止井筒提前開挖引起片幫，輔助凍結孔布置圈徑取值不宜過大，根據實際經驗，主、副井井筒輔助凍結孔布置圈徑均取df主= df副=9.

1m。3.5 凍結孔布置個數

l-----主凍結孔開孔間距，預取l=1.15m。

經計算主、副井孔數n =32.2(個),取n =32(個)，實際開孔間距經計算為l =1.158m；

lf-----輔助凍結孔開孔間距，預取lf=2.8m。

經計算主、副井輔助凍結孔孔數n f =10.2(個),取n f =10(個)，實際開孔間距經計算為l n =2.859m。

3.6 測溫孔深度與數量

根據鑽孔柱狀圖以及驗收規範要求，主、副井井筒內均設定3個測溫孔。主凍結孔內側孔各1個，外側孔各2個；深度：內側孔主、副井均為230m，外側孔主、副井均為276m，均要求布置在較大孔間距的介面上。

主井熱電偶測溫點位置分別為： 14m、25m、40m、69m、92m、115m、149m、177m、204m、220m、264m、274m。副井熱電偶測溫點位置分別為：

14m、24m、40m、60m、96m、120m、158m、186m、194m、215m、260m、275m。

3.7 水文孔布置

主、副井均各設定2個水文孔，淺孔深度分別為112m、111m；深孔深度均為225m。主井淺孔分別在24～27m、35～44m、66～82m、85～96m、107～110m五個部位設定花管；副井淺孔分別在20～27m、33～51m、72～98m、104～109m四個部位設定花管。主井深孔分別在119～144m、153～168m、173～190m、199～223m四個部位設定花管；副井深孔分別在134～149m、166～190m、199～223m三個部位設定花管。

水文管結構詳見水文管加工圖。

3.8 管材選擇

主、副井主凍結管和輔助凍結管分別選用φ127×6mm和φ127×５mm低碳鋼無縫鋼管，淨用量分別為17120m和3600m；測溫管、水文管均選用φ108×4.5mm低碳鋼無縫鋼管，淨用量為2135m。

3.9 積極凍結期估算

1）凍結孔偏斜率表土段 ≤2.5‰；基岩段≤4‰；表土段凍結孔向井

中偏值≤400mm。第四系最大孔底距≤2.0m，基岩最大孔底距≤4.0m。

凍結壁交圈半徑r土=1.0m，凍結壁達到設計厚度時凍土擴充套件半徑r

r=√(e/2)2 + r2

式中符號意義同前，經計算凍土擴充套件半徑為r主= r 副=2.08m。

凍土平均擴充套件速度砂層取v=0.024m/天、粘土取v=0.018m/天

預計主、副井筒凍結壁交圈時間均為42天，達到試挖條件的凍結時間均為50天，凍結壁達到設計厚度的凍結時間：主、副井均為87天。

主、副井凍結主要技術引數詳見下表3-1。

表3-1 主、副井井筒凍結主要技術參數列

注：深度以自然地坪標高為+0計算。

4.製冷系統施工設計

經方案優化，選用ys18lg20cf2b型二次進氣式螺桿冷凍機組製冷凍結，主、副井共用乙個冷凍站，鹽水系統能相互調節。

4.1凍結管散熱能力qt

qt=πdhnk

d――凍結管外徑；

h――凍結深度；

n――凍結管個數；

k――凍結管散熱係數，表土段k土=250 kcal/hm2，基岩段

k巖=350 kcal/hm2

經計算凍結管散熱能力為：q主= q副=106.1萬kcal/h

4.2冷凍站需要製冷能力q2

根據合同工期，副井滯後主井30天開機凍結，則冷凍站最大製冷能力需按主井維護凍結，副井積極凍結，同時裝有一定備用係數。

q站==1.2×(0.8 q主+q副)=229.2萬kcal/h

4.3 製冷設計引數選用

製冷系統選用二次進氣螺桿冷凍機組

鹽水去路溫度：積極凍結期：-28℃；

掘砌至控制層位（180m以下）時：-30℃

製冷劑蒸發溫度-35℃

冷卻水進水溫度+25℃

製冷劑冷凝溫度+34℃

4.4 冷凍站實際製冷能力

根據以上製冷引數，查螺桿冷凍機組的工作效能曲線，計算出需安裝ys18lg20cf2b型螺桿冷凍機組共12組，實際製冷能力為238萬kcal/h。滿足主、副井凍結需要。

4.5 製冷劑、冷凍機油用量計算

(1) 製冷劑用量

冷凍機的製冷劑首次充加用量約4t,加上後期的消耗補充，計算出需要氟里昂6t 。

(2) 冷凍機油用量

冷凍機油選用46#，首次加油量3噸，預計需用量5噸。

5．鹽水系統設計

5.1 鹽水主要技術引數選用

鹽水選cacl2水容液；去路最低溫度tr=-30℃

鹽水比重r=1270kg/m3；波美度為30.8°b e

5.2 鹽水總迴圈量wbr

qco wbr

r.cbr. △t

式中：qco----冷凍站製冷能力，qco主 = qco副=119萬kal/h。

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